Silizium ::: Hauptelemente ::: Chemieseite.de

Während man Kohlenstoff als den ,,Träger des organischen Lebens'' bezeichnen kann, da er in fast allen organischen Verbindungen eine entscheidende Rolle spielt und für das organische Leben nicht wegdenkbar ist, kann man Silizium als den ,,Träger des anorganischen Lebens'' bezeichnen, wobei anorganische Stoffe gar nicht leben.

Vorkommen

Silizium kommt vor allen in $SiO_{2}$ vor. Dies ist einfacher Sand und ist überall auf der Erde zu finden. Aber nicht nur in Sand, sondern auch in Slikaten ist Silizium eingebaut. Man kann Silizium mit folgender Reaktion darstellen:

$\begin{displaymath}SiO_{2}+2C\longrightarrow^{\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!1000^{\circ}C}Si+2CO\end{displaymath}$

Modifikationen

$\alpha$ -Si ist die normale Modifikation. Sie kristallisiert wie Kohlenstoff in Diamantstruktur aus, weshalb Silizium spröde ist. Silizium ist ein Halbleiter, welcher durch Dotierung aktiviert werden kann.

$\beta$ -Si ist die Hochdruckmodifikation.

Siliziummonoxid

Ist von geringer Bedeutung. Es ist sehr kurzlebig und entsteht bei hohen Temperaturen durch Erhitzen von

mit $SiO_{2}$ :

$\begin{displaymath}Si+SiO_{2}\rightleftharpoons SiO\end{displaymath}$

Durch Abschrecken erhält man polymeres $(SiO)_{x}$ , welches man durch ein $SiO_{2}$ -Netz schützen kann.

Siliziumdioxid

Anders als $CO_{2}$ ist Siliziumdioxid polymer. Es kristallisiert aus. Jedes Siliziumatom ist mit vier Sauerstoffatomen tetraedisch verbunden, von denen zwei von ihm selbst kommen. Planare Sicht:

$\includegraphics*{sio2.eps}$

Siliziumdioxid kommt außer dem noch in einigen anderen Modifikationen vor:

Modifikation	Temperatur
$\alpha$ -Quarz	bis $573^{\circ}C$
$\beta$ -Quarz	bis $870^{\circ}C$
$\beta$ -Tridymit	bis $1470^{\circ}C$
$\alpha$ -Tridymit	$\beta$ -Tridymit ist die Form, welche bei niedrigen Temperaturen bevorzugt vorliegt. Bei hohen Temperaturen trifft man $\alpha$ -Tridymit an. Kühlt man $\alpha$ -Tridymit ab, so wird es wieder zu $\beta$ -Tridymit. Da bei diesem Wechsel nur interne Strukturen gerändert werden und keine Bindungen gespalten und neu gebildet werden müssen, verläuft die Rückführung sogar bei relativ niedrigen Temperaturen von $120^{\circ}C$ . Wird diese Temperatur unterschritten, so bleibt $\alpha$ -Tridymit metastabil bestehen.
$\beta$ -Cristobalit	bis $1725^{\circ}C$
$\alpha$ -Cristobalit	Kann ähnlich wie $\alpha$ -Tridymit bei niedrigen Temperaturen von $270^{\circ}C$ in $\beta$ -Cristobalit wechseln. Darunter metastabil.
Schmelze	über $1725^{\circ}C$
Glas	Schreckt man die Schmelze ab, so hat $SiO_{2}$ keine Zeit zuerst zu Cristobalit zu werden und dann über Tridymit zu Quarz zu werden, sondern es kristallisiert teilweise aus und bildet Glas. Glas ist bei moderaten Temperaturen metastabil. Es besitzt eine Nahordnung aus $SiO_{4}$ -Tetraedern aber keine Fernordnung.

Siliziumdioxid ist sehr beständig. Es wird nur durch Flußsäure oder geschmolzene Alkalihydroxide angegriffen:

$\begin{displaymath}SiO_{2}+6HF\rightarrow H_{2}SiF_{6}+2H_{2}O\end{displaymath}$

$\begin{displaymath}SiO_{2}+2NaOH\rightarrow Na_{2}SiO_{3}+H_{2}O\end{displaymath}$

Verwendung findet das Siliziumdioxid in Silikonen, die zu den siliziumorganischen Verbindungen zählen. Silikone können beispielsweise als Dicht- und Dämmmaterial genutzt werden; in flüssiger Form allerdings auch als Bestandteile von Kosmetik und Salben.

Färben von Gläsern

Gläser kann man Färben, indem man bestimmte Zusatzstoffe beimischt. Man kann sie auch ganz blind machen, indem man wieder andere Stoffe beimischt.

Silicate

Silicate sind aus $SiO_{4}$ -Tetraedern aufgebaut. Sie sind die Salze der Kieselsäure und treten sehr häufig auf der Erdkruste auf.

Jedes Eckensauerstoffatom, welches nur an ein einziges Siliziumatom gebunden ist, trägt eine negative Ladung. Deshalb sind Silicate Makroanionen. Dazu gehören Kationen, die sich manchmal auch in deren Lücken setzen.

Einige Silicatgitter:

Struktur	Beschreibung
Insel	$[SiO_{4}]^{4-}$
Gruppen	z.B. $[Si_{2}O_{7}]^{6-}$
Ring	z.B. $[Si_{3}O_{9}]^{6-}$
Ketten	$\left[[Si_{}O_{3}]^{2-}\right]_{n}$
Band	Eindimensional (d.h. nur eine Kette) aneinandergekettete Ringsilikate
Schicht	Zweidimensional (d.h. eine Fläche) verbundene Ringsilikate oder Gruppensilikate
Gerüst	Gerüstsilikate haben eine dreidimensionale Struktur. Wie in $SiO_{2}$ sind die Tetraeder an allen vier Ecken verbunden. Ganz besonders interessant sind die Zeolithe. Es sind dreidimensinale Silicate mit Hohlräumen, welche durch Kanäle verbunden sind. Zeolithe werden wegen der hohen inneren Oberfläche gerne als Kathalysator verwendet. Außerdem haben sie eine enorme Bedeutung in Waschmitteln, da sie die permanente Wasserhärte durch Ionenaustausch verringern können.

Kieselsäure

Monokieselsäure $H_{4}SiO_{4}$ ist eine schwache vierbasige Säure:

$\includegraphics*{h4sio4.eps}$

Sie neigt noch stärker als Phosphorsäure zur Wasserabspaltung, so daß sie nur in sehr geringen Konzentrationen beständig ist. Sie bildet sich automatisch, wenn in der Natur Wasser auf $SiO_{2}$ fällt

$\begin{displaymath}2H_{2}O+Si0_{2}\rightarrow H_{4}SiO_{4}\end{displaymath}$

Sie kann aus Wasserglas unter Zusatz von Salzsäure hergestellt werden. Wasserglas ist eine Lösung eines Silikates z.B. Natriumsilikat $Na_{4}SiO_{4}$

$\begin{displaymath}Na_{4}SiO_{4}+4HCl\rightarrow 4NaCl+H_{4}SiO_{4}\end{displaymath}$

Die Monokieselsäure spaltet sofort Wasser ab und wird zu Kieselgel, welches schnell fest wird und nach und nach zu $SiO_{2}$ wird.

Wasserstoffverbindungen

Die Wasserstoffverbindungen des Siliziums ähneln den Wasserstoffverbindungen des Kohlenstoffs. Die Alkane mit Kohlenstoff sind mit Silizium Catena-Silane. Methan mit Silizum hat den Namen Monosilan. Zykloalkane sind zylische Silane. Silane sind endotherme Verbindungen, in denen der Wasserstoff eine negative!! Partialladung hat. Sie reagieren heftig mit Wasser unter Bildung von Kieselsäuren:

$\begin{displaymath}SiH_{4}+H_{2}O\rightarrow Si(OH)_{4}+H_{2}\end{displaymath}$

Silicone

Silicone bestehen aus Silanolverbindungen. Diese sind Derivate der Kieselsäure. In ihnen werden zwei oder drei OH-Gruppen durch Alkylreste ausgetauscht. Wird Wasser abgespalten, so bilden diese Silane Ketten, die man als Silicon kennt: